先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 1/59 テラヘルツ波高機能制御のための メタマテリアルによる光学素子・アンテナの研究 2013年11月24日 小江戸ハーフマラソンを 研究室有志メンバーで完走 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 2/59 本発表の構成 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 4. まとめ 学生の国際会議渡航費支援を目的とした 研究寄付資金事業(寄付事業)を開始 http://justgiving.jp/c/9393 (大学承認) 茨城大学 工学部 電気電子工学科 鈴木 健仁 http://suzuki-lab.ee.ibaraki.ac.jp/ [email protected] 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 本発表の構成 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 4. まとめ 3/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 4/59 背景と目的 目的 積層薄フィルム構造による テラヘルツ波帯 電磁メタマテリアルレンズ ・ Tsurupica n = 1.52 ・ ポリエチレン n = 2.3 ・ シリコン n = 3.4 テラヘルツ波帯では電気特性 だけでなく材料特性、試作法 についてマイクロ波、ミリ波より 一層注意深い検討と試作実現 性の検討が必要 ・シクロオレフィンポリマー:小 ・ 導体損 損失との ・誘電体損 ・メチルペンテンポリマー:小 高導電率: 闘い Cu, Al, Au, Ag ・ポリイミド:大 ・PET:大 5/59 ⑤ テラヘルツ波帯ワイヤーグリッド 10-4 <10-5 10-1 10-5 10-2 0.1 0.5 1.0 1.5 Frequency (THz) 実験結果 10-6 1.94 60 >約90 % 40 現在、作製中 20 0 0.1 0.5 特願2013-179151 (大阪大学 永井准教授にご測定いただいた) <10-6 1.0 1.5 2.0 2.5 2.99 Frequency (THz) 解析結果 100 100 80 10-1 60 r p 40 20 0 0.1 0.5 10 µm 35 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 Frequency (THz) 10-2 10-3 Extinction ratio 約 75 % 80 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 10-17 10-18 10-19 10-20 Extinction ratio 100 10-3 Extinction ratio ① 金属方形 チップ 周期構造 n>1(n<-1) Transmission power 100 Transmission power (%) ①～④ テラヘルツ波人工誘電体レンズ ③ 金属 H スリット E 構造 k 0<n<1 6/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 Transmission power (%) 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 10-4 3.0 ※散乱波による解析 積層薄フィルム(板)構造 H ② 金属溝 周期構造 n>1 E ④ リング k +金属 スリット 構造 n<0 フィルム構造 日刊工業新聞 (2013/9/6) 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 中空構造 (現在作製中) 従来のワイヤーグリッド (総務省SCOPEによる大阪大学 高野博士、萩行教授との共同研究) 7/59 ・高消光比(10-6以下) ・高透過特性(透過電力約90%以上) ・高い堅牢性 ・低コスト化 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ⑥ テラヘルツ波帯アンテナ 8/59 ⑦ テラヘルツ波伝送線路 シクロオレフィン ポリマーフィルム 目的 ダイポールアレー構造において 表面波を用いた高効率な テラヘルツ波伝送線路の設計 目的 印刷技術の 応用による フレキシブルな アンテナの開発 パターンめっき・転写法(日立化成株式会社) ・安価に作製 ・高価な低温成長ヒ素化ガリウム基板の 再利用の検討 初回の作製で 積層薄フィルム構造による 現在ギャップ部が 八木・宇田型光伝導アレーアンテナ 通電 今後検討を進め改善 平面でオンチップ化可能な 伝送線路 誘電体 給電部→GaAs (フェムト秒レーザ照射により ガリウムヒ素基板 断面図 光伝導電流を発生) 伝送線路→シクロオレフィン ポリマーフィルム(低損失) 9/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 10/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 本発表の構成 ① 金属方形チップ周期構造によるレンズ 全構造 単位構造 ・波長より大規模 ・波長より微細で周期 3.01 mm 120 µm 5.0λ@0.5 THz 0.2λ@0.5 THz 高屈折率 高解像度 負屈折率 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 4. まとめ テラヘルツ波帯では材料特性、 作製法についてマイクロ波帯、 ミリ波帯より注意深い検討が必要 レーザー加工 エッチング加工 マスク蒸着 > 数数10µm~µm > リフトオフ ・シクロオレフィンポリマー:小 ・ 導体損 高導電率: ・誘電体損 ・メチルペンテンポリマー:小 Cu, Al, Au, Ag ・ポリイミド:大 ・PET:大 11/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 金属方形チップ周期構造の試作 120 µm Al 1 mm レーザー加工 エッチング加工 マスク蒸着 バッファ層 なし なし クロム(10 nm) (接着部) 5 µm 5~10 µm 5~10 µm 作製精度 Au 120 µm リフトオフ クロム(10 nm) 1 µm 加工範囲 A4 6インチ 6インチ 6インチ 金属膜厚 0.35 µm 0.5 µm 0.5 µm 0.05 µm Y. Takebayashi, et al., META 2013, 5A1-META, pp. 99-100, Mar. 2013. 100 100 スパッタ成膜 ・シクロオレフィンフォンポリマー ・銅膜厚 (0.5 THz) 2 : 損失小 δ = ωµσ = 93nm ×2~3倍以上 (ポリイミド: 損失大) Transmitted power (%) 75 µm Cu 損失の見積もり Transmitted power (%) Cu 12/59 3 layers 80 60 5 layers 40 20 10 layers 0 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 Frequency (THz) Cyclo olefin polymer film 周期解析モデル 1 80 60 40 20 0 1 2 Cyclo olefin polymer film 4 6 8 Number of layers 10 0.63 THz 13/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 パターンA (0.63 THz) Lens 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 14/59 パターンA (0.63 THz) Local Maximum Value M1 竹林君 集光点 2.59 mm (5.44λ) 10層 2.23 mm 積層構造 レンズからの 1.73 mm 白:4倍 黒:1倍 距離 レーザー加工 北原英明博士 高野恵介博士 萩行正憲教授 との共同研究 集光点 Cyclo olefin polymer Cyclo olefin polymer film film 2.73 mm Y. Takebayashi, et al., META 2013, 5A1-META, pp. 99-100, Mar. 2013. 15/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 パターンA (0.63 THz) Lens 3.23 mm 3.73 mm テラヘルツ近接場顕微鏡 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 4.23 mm 16/59 パターンA (0.30 THz) Local Maximum Value 白:4倍 黒:1倍 集光点 4.16 mm (4.16λ) 10 層 積層構造 レーザー加工 レンズからの 距離 1.73 mm 2.23 mm 集光点 Cyclo olefin polymer Cyclo olefin polymer film film 2.73 mm Y. Takebayashi, et al., META 2013, 5A1-META, pp. 99-100, Mar. 2013. 3.23 mm 3.73 mm テラヘルツ近接場顕微鏡 4.23 mm 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 17/59 パターンB (0.48 THz) 18/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 パターンB (0.48 THz) Lens 白:1.7倍 黒:1倍 5層 積層構造 エッチング加工 レンズからの 距離 5.0 mm 6.0 mm Cyclo olefin polymer Cyclo olefin polymer film film 8.0 mm 9.0 mm テラヘルツ近接場顕微鏡 7.0 mm 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 19/59 パターンB (0.30 THz) 10.0 mm 20/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 パターンB (0.30 THz) Lens 白:1.7倍 黒:1倍 5層 積層構造 エッチング加工 レンズからの 距離 5.0 mm 6.0 mm Cyclo olefin polymer Cyclo olefin polymer film films 7.0 mm 8.0 mm 9.0 mm テラヘルツ近接場顕微鏡 10.0 mm 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 21/59 まとめ 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 22/59 本発表の構成 1. 方形チップ周期構造を有するテラヘルツ波帯人工誘 電体レンズをレーザー加工、及びエッチング加工に より試作した。 2. テラヘルツ近接場顕微鏡により集光効果を確認した。 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 4. まとめ Y. Takebayashi, et al., META 2013, 5A1-META, pp. 99-100, Mar. 2013. 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 23/59 本発表の構成 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 ② 金属溝周期構造 (n>1) 4. まとめ 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 24/59 ② 金属溝周期構造レンズ 金属スリット部に対して垂直な偏波の場合 等価屈折率n=1 鳥瞰図 断面図 今野君 (現・日立オートモティブ システムズ株式会社) 支持基板 n=1.53 (λ=600 µ[email protected] THz) 25/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ② 金属溝周期構造レンズ ② 金属溝周期構造レンズ 超微細バイト加工 Magnitude of Electric Field (V/m) d=60 µm 3 溝幅 c1 =40 µm Local Maximum Value t 等価屈折率 n=3.12 2 0 0 マイクロメートル精度の土台 実験での 評価・ 検討中 深さ c2 =25 µm c2 c1 1 26/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 金属溝周期構造レンズ c1 d 単位素子モデル 1 2 3 Position (mm) 4 5 シクロ オレフィン ポリマー 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 溝 63本 27/59 本発表の構成 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 ③ 金属スリット構造 (0<n<1) 4. まとめ 28/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ③ 金属スリット構造1 0.55 y x z 0.49 與那嶺君 シクロオレフィンポリマー :励起されたTE1モードの波長から 求めた屈折率 :全構造解析の結果から求めた屈折率 開口数：0.74 ~ 0.80 T. Suzuki, et al., META 2013, 2P1-META P6, pp. 101-102, Mar. 2013. 実験での評価・検討中 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 29/59 ③ 金属スリット構造2 ① ③ 金属スリット構造2 Local Maximum Value ② y x z 焦点距離 : 1.02 mm H E ④ 極大値 : 6.2 V/m k Lens -3 設計周波数 0.5 THz (λ0 = 600 µm) 基準 ⑤ y ⑥ -1 -2.1 z=1.54 mm 31/59 本発表の構成 5 4 x 基準モデル 層間隔変化 32/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ④ 分割リング＋金属スリット構造 屈折角:約8度 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 ④ リング+金属スリット構造 (n<0) 4. まとめ 3 Local Maximum Value 金属スリット 枚数 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 0 2 1 Position (mm) 0 f=0.55 THz Refractive Index n ③ 30/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 領域1 n=+2.1 領域3 n=+2.1 領域2 n=-0.66 積層構造 法線ベクトル 先行研究 導波管構造 [1] R. Marques, et al., Phys. Rev. Lett., vol. 90, no. 18, pp. 183901-1-183901-4, Oct. 2002. 誘電体共振器 [2] T. Ueda, et al., IEICE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 55, no. 6, pp. 12801287, June 2007. -1 n= -0.66 -2 -3 -4 -5 0 30 60 Refractive Angle (degrees) 90 M1 岸君 金属スリット構造単体 →10-10以下の高消光比ワイヤーグリッド 33/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ④ 分割リング＋金属スリット構造 ①有限モデル 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 ⑤ 高消光比・高透過率・高堅牢・低コストな テラヘルツ波帯ワイヤーグリッド 4. まとめ λに対して大規模モデル ③設計モデル l 464 µm b 74 µm h 151 µm t1 0.25 µm 35/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 0.5 1.0 1.5 Frequency (THz) 実験結果 10-6 1.94 >約90 % 40 現在、作製中 20 0 0.1 0.5 特願2013-179151 (大阪大学 永井准教授にご測定いただいた) <10-6 1.0 1.5 2.0 2.5 2.99 Frequency (THz) 解析結果 80 10-1 60 40 20 0 0.1 0.5 r p 10 µm 35 µm 1.0 1.5 2.0 2.5 Frequency (THz) 10-2 10-3 Extinction ratio 10-5 60 100 100 Transmission power (%) <10-5 10-1 80 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 10-17 10-18 10-19 10-20 Extinction ratio Extinction ratio 10-4 Transmission power (%) Transmission power 約 75 % 10-2 0.1 100 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 1 有限モデル 中空構造 (現在作製中) 10-4 ※散乱波による解析 従来のワイヤーグリッド (総務省SCOPEによる大阪大学 高野博士、萩行教授との共同研究) 日刊工業新聞 (2013/9/6) 2 無限モデル 3.0 3 2次元解析モデル フィルム構造 36/59 モードマッチング法による解析 ⑤ テラヘルツ波帯ワイヤーグリッド 10-3 34/59 本発表の構成 ②無限モデル 100 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ・高消光比(10-6以下) ・高透過特性(透過電力約90%以上) ・高い堅牢性 ・低コスト化 3-1 ・境界条件 ・基底関数 3-2 ・積分方程式 ・励振係数の 決定 3-3 ・散乱行列の接続 37/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 モードマッチング法による解析 3-1 境界条件 H yi = e − jk0 z H +H =H i y r y E +E =E i x r x t y t x 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 38/59 モードマッチング法による解析 (z=0) 3-3 散乱行列の接続 (z=0) ∞ H yr = ∑ Am cos ( mπ x d ) e + jkm z m =0 ∞ H yt = ∑ Bn sin ( 2nπ x px ) e − jkm z m =1 ∞ + ∑ Cl cos ( 2lπ x px ) e − jkl z m=0 重 基底 み 関数 付 け 3-2 積分方程式 アドミタンスY •入力波: TEM モード •反射波 TEM モード •透過波 TM モード ⎡ ⎡⎣Ypm ⎤⎦ ⎡⎣Ypn ⎤⎦ ⎡⎣Ypl ⎤⎦ ⎤ ⎡⎡ I p ⎤ ⎤ ⎢ ⎥ ⎡[ Am ]⎤ ⎢ ⎣ ⎦ ⎥ ⎢ ⎡⎣Yqm ⎤⎦ ⎡⎣Yqn ⎤⎦ ⎡⎣Yql ⎤⎦ ⎥ ⎢ [ Bn ] ⎥ = ⎢ ⎡⎣ I q ⎤⎦ ⎥ ⎥ ⎢ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ C [ ] ⎢ [Yrm ] [Yrn ] [Yrl ] ⎥ ⎣ l ⎥⎦ ⎢ [ I r ] ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ 既知 未知 既知 励振係数の決定 散乱行列 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 モードマッチング法による解析 3-3 散乱行列の接続 39/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 モードマッチング法による解析 3-3 散乱行列の接続 40/59 41/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 フィルム構造の実験結果 d n 40 20 b=3.0 mm b=2.0 mm b=1.0 mm 0 0.1 50 µm 1.53+j0.0011 0.5 a 1.0 1.5 Frequency (THz) 1.0 mm t Transmission power (%) 100 モードマッチング法 •解析時間: 1 分以内 •周波数範囲: 0.1~2.0 (THz) 40 t=50 µm 0.5 a t=10 µm 1.0 1.5 Frequency (THz) 1.0 mm b 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 10-17 10-18 10-19 10-20 1.94 0 mm 43/59 40 20 透過電力: 約90%以上 現在、 作製中 消光比: 10-6以下 0 0.1 0.5 1.0 1.5 2.0 Frequency (THz) 2.5 2.99 a 2.0 mm d 80 60 40 t=30 µm t=50 µm 20 0 0.1 0.5 1.0 1.5 2.0 Frequency (THz) 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 10-17 10-18 10-19 10-20 2.5 2.99 50 µm ・高消光比(10-6以下) ・高透過特性(透過電力約90%以上) ・高い堅牢性 ・低コスト化 Extinction ratio 60 t=20 µm Extinction ratio Transmission power (%) Transmission power (%) 80 100 10-4 10-5 0.1 -6 0.5 1.0 1.5 Frequency (THz) a b t d n l 中空構造の解析結果(誘電損失の除去) 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 10-17 10-18 10-19 10-20 Measurement result 10-1 10 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 100 対数表示 -2 0.5 µm 60 0 0.1 10 1.94 t=0.5 µm 80 20 Transmission power 60 10-3 10 Extinction ratio 80 0 Extinction ratio Transmission power (%) 100 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 10-17 10-18 10-19 -20 Extinction ratio b=0 mm 10 1.94 100 Transmission power (%) フィルム構造の解析結果 42/59 80 60 40 20 0 0.1 Measurement result Analysis result 線形表示 平均透過電力:75 % 0.5 1.0 1.5 1.94 Frequency (THz) 1.0 mm 0 mm 0.5 µm 50 µm 1.53+j0.0011 30 mm 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 44/59 本発表の構成 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 ⑥ 積層薄フィルム構造による 八木・宇田型光伝導アレーアンテナ 4. まとめ 45/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ⑥ 積層薄フィルムTHz八木・宇田アレーアンテナ 46/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ⑥ 積層薄フィルムTHz八木・宇田アレーアンテナ ・光伝導電流 による給電と 受信アンテナを 考慮した ガリウムヒ素基板 スペクトル解析 ガリウムヒ素基板 と設計 ・アレー化 大規模モデル 過渡波形 光伝導アンテナ 比較的高効率、広帯域 テラヘルツ波帯 100 GHz ~ 1 THz ~ 30 THz (3 mm) (300 µm) (10 µm) シクロオレフィン ポリマーフィルム ①フェムト秒レーザを ダイポールのギャップ部に照射 積層薄フィルム構造による 八木・宇田型光伝導アレーアンテナ ②キャリアが励起され 過渡電流が発生する ③裏面からテラヘルツ波が放射 47/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 48/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ⑥ 積層薄フィルムTHz八木・宇田アレーアンテナ 導波器 シクロオレフィン ポリマーフィルム シクロオレフィン ポリマーフィルム ガリウム ヒ素基板 ダイポール アンテナ 印刷技術の 応用による フレキシブルな アンテナの開発 パターンめっき・転写法 (日立化成株式会社) 反射器 ・安価に光伝導アンテナを作製 ・高価な低温成長ガリウムヒ素基板の 再利用の検討 y z 入江君 (現・茨城県庁) x 初回の作製で 現在ギャップ部が通電 今後検討を進め改善 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 49/59 ⑥ 積層薄フィルムTHz八木・宇田アレーアンテナ シクロ オレフィン ポリマー フィルム 反射器 ガリウム ヒ素基板 ダイポール レーザー径 シクロ オレフィン ポリマー フィルム 放射器 ⑥ 積層薄フィルムTHz八木・宇田アレーアンテナ 放射器 ダイポール アンテナ ポリイミド フィルム 反射器 50/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 20 µm x スペーサー y アクリル系 接着剤 20 µm ~10 µm 異方導電 フィルム 反射器 z 導波器 ダイポール アンテナ ガリウム ヒ素基板 側面図 ポリイミド フィルム 異方導電フィルム 角度 シクロ オレフィン ポリマー フィルム ⎛ 20 ⎞ tan −1 ⎜ ⎟ = 15.37 （ダイポールと反射器の距離： 72.75 µm） ⎝ 72.75 ⎠ 導波器1 導波器2 導波器3 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 51/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 自由空間 l s l1 l1 PML 吸収境界 t1 d2 d1 d0 d0 a 3 a4 a1 x y a2 ビームチルト z l2 t 170 µm (0.43λeff) 200 µm (0.5λeff) g 10 µm (0.025λeff) w 20 µm (0.050λeff) s 20 µm (0.050λeff) (λeff=400 µm) t 5 µm (0.013λeff) 導波器 ダイポール 1 入力波形 0.8 185 µm (0.46λeff) l1 t1 反射器 Photocurrent N(t) (arb. units) ビーム l l2 g w x チルト z y l1 t1 0.5 µm (0.0013λeff) d0 50.5 µm (0.13λeff) 0.6 d1 402.75 µm (1.0λeff) 0.4 d2 72.75 µm (0.18λeff) 0.2 a1 10 µm (0.025λeff) a2 101 µm (0.25λeff) a3 115 µm (0.29λeff) a4 128 µm (0.32λeff) 0 0 1 2 3 Time (ps) 4 5 レーザパルス半値幅 ：120 fs キャリア生存時間 ： 0.5 ps ⑥ 積層薄フィルムTHz八木・宇田アレーアンテナ Emission Intensity (arb. units) ⑥ 積層薄フィルムTHz八木・宇田アレーアンテナ 52/59 +15.4 degrees 0 degrees 単体ダイポールアンテナ neff = 2.70 0.25 0.5 0 1.0 0.18 Frequency (THz) 1.5 ビーム x チルト z y 単体構造と比べ、八木・宇田構造の 最大放射スペクトルは2.7倍となる。 今後、試作と実験を行い解析結果と x 比較する。 z y 八木・宇田構造 0.25 THz 0.25 THz 単体構造 0.18 THz 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 53/59 本発表の構成 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ⑦ 表面波を利用したテラヘルツ波帯伝送線路 1. 背景・目的 2. テラヘルツ波帯電磁メタマテリアルレンズの 解析→設計→試作→測定 3. 各種光学素子 ⑦ 表面波を利用したテラヘルツ波帯 伝送線路 4. まとめ 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 55/59 ⑦ 表面波を利用したテラヘルツ波帯伝送線路 給電部(過渡波形) 極大値 給電部(過渡波形) 入力信号 時間波形 l 300 µm w 110 µm t 1 µm g 3 µm s 60 µm d 400 µm εr 12.25 ①フェムト秒レーザを ダイポールのギャップ部に照射 ②キャリアが励起され 過渡電流が発生する ③ダイポールに電流が流れ、 テラヘルツ波が放射 Dr. Withawat Withayachumnankul (アデレード大学)との共同研究 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 給電部(周波数固定) ダイポールアレー 入力 自由空間 ガリウムヒ素基板 断面図 入力 0.13 THzでの表面波伝搬を確認 自由空間 ダイポールアレー 入力 ガリウムヒ素基板 観測点 56/59 ⑦ 表面波を利用したテラヘルツ波帯伝送線路 フーリエ 変換 観測点における磁界波形 54/59 ダイポールアレー 周波数 0.13 THz 波長 λ0 = 2.31 mm 実効波長 λeff = 898 µm 上面図 57/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ⑦ 表面波を利用したテラヘルツ波帯伝送線路 自由空間 伝送線路部(周波数固定) シクロ オレフィン ポリンマー フィルム 入力 ゼオノアフィルム 周波数 0.45 THz 波長 λ0 = 667 µm 断面図 ダイポールアレー 観測点 上面図 入力 シクロ オレフィン ポリンマー フィルム 自由空間 観測点 ゼオノアフィルム ダイポールアレー無し 観測点における磁界強度比 ダイポール有り =約147倍 ダイポール無し （約43dB） 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 ご清聴ありがとうございました。 59/59 先端光量子科学アライアンス(APSA)セミナー 慶應義塾大学 2014/3/1 58/59 謝辞 本研究の一部は、総務省SCOPE(122103011)の研究助成を受けたも のです。本研究を大きく推進してくれました入江克成氏(学部・修士修 了 現・茨城県庁)、今野拓矢氏(学部・修士修了 現・日立オートモティブ システムズ株式会社)、與那嶺 広樹氏(学部卒業 現・株式会社協和エ クシオ)、研究室の学生、スタッフの方々に深く感謝いたします。 また以下の共同研究者の皆様、日頃より貴重なアドバイスを頂いて いる皆様に深く感謝申し上げます。 萩行正憲教授(大阪大)、高野恵介博士(大阪大)、北原英明博士(大阪 大)、谷正彦教授(福井大)、山本晃司准教授(福井大)、永井正也准教 授(大阪大)、Withawat Withayachumnankul 博士(アデレード大)、御田 護博士(株式会社M&M 研究所)、舘野貴一様、滝田隆夫様、稲田禎一 博士(左記 3 名 日立化成株式会社)、直之進様、John C. Young博士 (ケンタッキー大)、広川二郎准教授(東工大)、安藤真教授(東工大)
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